基于探地雷達(dá)的瀝青路面攤鋪厚度及路面3D可視化技術(shù)研究

傅利榮， 黃建平， 廖名舉， 張彤， 馬懿

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司， 北京 100070；2.中電建路橋集團(tuán)有限公司 東南發(fā)展有限公司， 浙江 杭州 311225；3.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司， 四川 成都 610065；4.中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司， 浙江 杭州 310005)

路面攤鋪中各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路面施工質(zhì)量控制至關(guān)重要，松鋪層厚度對(duì)成型路面的使用性能和壽命及材料的使用有十分重要的影響。傳統(tǒng)的人工測(cè)量方式采用測(cè)厚鋼叉進(jìn)行松鋪厚度測(cè)量，存在精度不足、覆蓋面低、耗時(shí)費(fèi)力、人為因素影響大、信息反饋不及時(shí)等缺陷，改變?nèi)斯y(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)攤鋪厚度實(shí)時(shí)采集對(duì)路面質(zhì)量控制、輔助項(xiàng)目管理尤為重要。該文采用單主機(jī)、多通道探地雷達(dá)，利用雷達(dá)波反饋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取攤鋪斷面的攤鋪厚度、攤鋪機(jī)的松鋪厚度，建立路面施工3D可視化模型，指導(dǎo)攤鋪機(jī)操作手及現(xiàn)場(chǎng)管理人員及時(shí)調(diào)整施工異常情況，確保攤鋪質(zhì)量。

1 多通道探地雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 多通道探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集硬件開發(fā)

探地雷達(dá)攤鋪厚度測(cè)量系統(tǒng)由1臺(tái)雷達(dá)主機(jī)、2個(gè)測(cè)厚探頭、1臺(tái)終端顯示器組成。要有效采集全路幅松鋪厚度數(shù)據(jù)，攤鋪機(jī)定制探地雷達(dá)需具備路幅全覆蓋、多通道多點(diǎn)瀝青層厚度與溫度測(cè)試能力。多通道探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，探地雷達(dá)探頭與雷達(dá)主機(jī)采用分體式設(shè)計(jì)，由控制電纜連接，系統(tǒng)硬件主要由雷達(dá)主機(jī)、天線探頭、測(cè)厚探頭(搭載溫度傳感器)和控制電纜組成(見圖1)。系統(tǒng)采用外部供電方式，探頭與主機(jī)之間通過控制電纜連接，采用并行工作方式，探頭工作數(shù)量可自由設(shè)定。

圖1 探地雷達(dá)攤鋪厚度采集模型

1.2 瀝青路面攤鋪厚度智能管控平臺(tái)開發(fā)

攤鋪厚度數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集并傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后通過瀝青路面攤鋪厚度智能管控平臺(tái)展示，登錄界面見圖2，攤鋪實(shí)時(shí)監(jiān)控展示見圖3。

圖2 瀝青路面攤鋪厚度智能管控平臺(tái)登陸界面

設(shè)上下限作為攤鋪厚度控制標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，合格率以下限為限值計(jì)算。從圖3可以看出：2020年9月4日攤鋪厚度波動(dòng)較大，前期存在低于下限值的情況，后期調(diào)整后滿足厚度下限要求，攤鋪厚度得到有效控制。

圖3 瀝青路面攤鋪數(shù)據(jù)分析展示

2 探地雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用

圖4為探地雷達(dá)攤鋪厚度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。應(yīng)用過程和方法如下：1) 安裝。將測(cè)厚探頭通過磁座安裝在攤鋪機(jī)踏板上，并固定雷達(dá)主機(jī)及顯示器。確定雷達(dá)工作狀態(tài)、探頭安裝位置、天線垂直度和雷達(dá)高度。2) 預(yù)熱。接通電源，雷達(dá)預(yù)熱5 min后開始采集攤鋪厚度數(shù)據(jù)。3) 標(biāo)定。在攤鋪機(jī)行進(jìn)過程中，按“標(biāo)定”鍵鎖定雷達(dá)工作狀態(tài)，使用測(cè)厚鋼叉測(cè)試?yán)走_(dá)標(biāo)定點(diǎn)的實(shí)際松鋪厚度，并用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量，按鋼叉實(shí)測(cè)厚度調(diào)整介電常數(shù)作為標(biāo)定值。4) 實(shí)測(cè)。完成標(biāo)定、介電常數(shù)調(diào)整后，雷達(dá)自主進(jìn)入實(shí)測(cè)狀態(tài)并生成沿施工方向的測(cè)厚測(cè)線。

圖4 雷達(dá)應(yīng)用測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

2.1 攤鋪厚度數(shù)據(jù)的采集

以G351常山段瀝青路面工程為依托，探地雷達(dá)攤鋪厚度測(cè)量系統(tǒng)以1次/(10 s)的頻率完成松鋪厚度數(shù)據(jù)采集。因下面層較厚，數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，厚度數(shù)據(jù)選取下面層數(shù)據(jù)。該路段下面層設(shè)計(jì)厚度為60 mm，松鋪系數(shù)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段測(cè)試確定為1.2。根據(jù)下面層設(shè)計(jì)厚度、松鋪系數(shù)、規(guī)范要求的厚度允許偏差及成本控制等因素，確定松鋪厚度上下限分別為65 mm、80 mm。圖5～7為雷達(dá)系統(tǒng)采集的400 min內(nèi)下面層厚度數(shù)據(jù)。

由圖5～7可知：前期松鋪厚度偏差較大，波動(dòng)明顯，處于施工調(diào)整階段；后期數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，基本滿足下面層72 mm的施工控制范圍；通道2數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，與通道1相比數(shù)據(jù)波動(dòng)小，通道1所處測(cè)線松鋪厚度較通道2相對(duì)不足。

圖5 下面層通道1雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)精度分析驗(yàn)證

2.2.1 數(shù)據(jù)特征分析

利用正態(tài)分布理論對(duì)雷達(dá)采集的路面厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)各統(tǒng)計(jì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差、均值、中位數(shù)等統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)(見表1)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6 下面層通道2雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 下面層雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)平均值

表1 下面層厚度測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

從表1可以看出：下面層通道1與通道2的厚度均值、中位數(shù)、眾數(shù)相差不大，數(shù)據(jù)分布穩(wěn)定；通道1的標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)比通道2的大，通道1的數(shù)據(jù)波動(dòng)更大，這可能與通道1雷達(dá)測(cè)試探頭連接松動(dòng)有關(guān)。

2.2.2 數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證

將雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)與攤鋪現(xiàn)場(chǎng)采用測(cè)厚鋼叉測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖8。2種方法在測(cè)試精度、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)上吻合良好；雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)與人工實(shí)測(cè)值的誤差為±1 mm的次數(shù)占91.7%，誤差為±2 mm的次數(shù)占100%，雷達(dá)數(shù)據(jù)精度較高，但變異系數(shù)比人工實(shí)測(cè)值大，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。對(duì)比2組路面厚度數(shù)據(jù)，探地雷達(dá)攤鋪厚度測(cè)量系統(tǒng)能較好地控制厚度上下限范圍。

圖8 雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)厚鋼叉測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

3 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的路面攤鋪3D可視化技術(shù)

3.1 路面攤鋪3D可視化建模

利用瀝青路面單點(diǎn)離散厚度測(cè)試數(shù)據(jù)，采用插值粒度可調(diào)的三次樣條算法對(duì)里程樁號(hào)和對(duì)應(yīng)松鋪厚度進(jìn)行插值運(yùn)算，將點(diǎn)數(shù)據(jù)擴(kuò)展為面數(shù)據(jù)，最終映射成厚度分布熱力圖，實(shí)現(xiàn)路面攤鋪厚度3D可視化(見圖9)。

圖9 攤鋪厚度3D可視化模型(單位：mm)

3.2 攤鋪厚度離散評(píng)價(jià)指標(biāo)

利用攤鋪厚度模型，提取厚度差、各厚度差面積等參數(shù)，建立以松鋪厚度離散指數(shù)TDI、攤鋪厚度達(dá)標(biāo)率TCR和厚度成本控制率TCCR為指標(biāo)的路面攤鋪厚度評(píng)價(jià)方法，完善瀝青路面松鋪厚度評(píng)價(jià)體系。

(1) 厚度離散指數(shù)TDI。該指標(biāo)以厚度差作為權(quán)數(shù)、各厚度差區(qū)域面積為自變量，綜合評(píng)價(jià)厚度離散狀況。表達(dá)式如下：

(1)

式中：i為厚度離散標(biāo)準(zhǔn)的第i厚度段；i0為厚度離散標(biāo)準(zhǔn)中的4種類型；wi為第i類厚度差面積的權(quán)重，其值見表2；Ai為厚度分布圖中第i類厚度差的面積；A為厚度分布圖的總面積。

表2 瀝青路面攤鋪厚度離散程度和權(quán)重

(2) 厚度達(dá)標(biāo)率TCR。該指標(biāo)評(píng)價(jià)攤鋪路面混合料攤鋪厚度是否滿足最低施工要求。表達(dá)式如下：

(2)

式中：A1為厚度分布圖中低于最低攤鋪厚度的數(shù)據(jù)的面積；A為采集的攤鋪厚度數(shù)據(jù)的總面積。

(3) 厚度成本控制率TCCR。該指標(biāo)作為混合料成本控制指標(biāo)，用于優(yōu)化混合料攤鋪管控。表達(dá)式如下：

(3)

式中：A2為厚度分布圖中高于最低攤鋪厚度、低于松鋪厚度上限的數(shù)據(jù)的面積。

3.3 攤鋪厚度評(píng)價(jià)分析

該路段攤鋪厚度分布3D可視化模型見圖9。該路段寬7.5 m、長(zhǎng)100 m，松鋪厚度最低要求為65 mm，面積為750 000 cm2。

(1) 厚度離散指數(shù)TDI。該路段各厚度差的面積見表3，根據(jù)表2，按式(1)計(jì)算，得TDI=0.91%。

表3 攤鋪路面厚度差的面積

(2) 厚度達(dá)標(biāo)率TCR。該路段要求攤鋪厚度不低于65 mm。攤鋪厚度<65 mm的面積為19 876 cm2，按式(2)計(jì)算，得TCR=97.35%。

(3) 厚度成本控制率TCCR。該路段要求攤鋪厚度不高于80 mm。攤鋪厚度≥65 mm、≤80 mm的面積為730 124 cm2，按式(3)計(jì)算，得TCCR=97.35%。

采用傳統(tǒng)方式隨機(jī)取樣抽檢該路段路面厚度，結(jié)果顯示：12%取樣點(diǎn)的厚度低于設(shè)定的最低限值，18%取樣點(diǎn)的厚度超出設(shè)定的最高限值。

根據(jù)厚度離散指數(shù)計(jì)算結(jié)果，該路段松鋪厚度有輕微差異，但覆蓋面積較小。根據(jù)厚度達(dá)標(biāo)率計(jì)算結(jié)果，僅2.65%區(qū)域的厚度低于下限要求，其余路段都很好地控制了最低攤鋪厚度。根據(jù)厚度成本控制率計(jì)算結(jié)果，該路段攤鋪厚度成本最低控制率為97.35%。

4 結(jié)論

該文將雷達(dá)測(cè)厚技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面攤鋪厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要得到以下結(jié)論：

(1) 雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)與瀝青攤鋪現(xiàn)場(chǎng)常用人工測(cè)厚工具測(cè)試的數(shù)據(jù)在測(cè)試精度、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)上吻合良好，同時(shí)避免了人工采樣點(diǎn)離散、人為因素等影響，具有良好的應(yīng)用前景。

(2) 雷達(dá)測(cè)厚系統(tǒng)能完成瀝青路面松鋪厚度及溫度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集、準(zhǔn)確記錄及上傳。

(3) 3D攤鋪厚度熱力圖能直觀反映路面攤鋪效果，結(jié)合厚度離散指數(shù)、厚度達(dá)標(biāo)率和厚度成本控制率，能實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青路面施工質(zhì)量的有效把控。相較于傳統(tǒng)厚度控制方法，3D可視化技術(shù)建立了瀝青路面松鋪厚度綜合評(píng)價(jià)體系，能準(zhǔn)確反映瀝青路面攤鋪厚度離散及成本控制情況。